«Sсhrulle A1»

 

 

            Толчком созданию усилителя высокой верности воспроизведения послужила микросхема LM4702CTA фирмы National Semiconductor. При беглом просмотре документации выяснилось, что эта микросхема поможет справиться с созданием простого и качественного усилителя, с высокой верностью воспроизведения звука.

При отладке макета выяснилось, что с помощью только LM4702 не получится достичь необходимого коэффициента усиления, поэтому была применена в качестве предусилителя микросхема LME49710. На сегодняшний день этот операционник является одним из самых лучших для аудио применений, потому что он практически не вносит искажений в звук при достаточно высоком коэффициенте усиления. При различных тестах эта микросхема показала себя только с лучшей стороны. После тщательной подборки номиналов сопротивлений все-таки удалось получить то, что требовалось. А требовалось всего то получить усиление 2-4 раза при минимальных гармонических и интермодуляционных искажениях сигнала.

            В качестве предвыходных транзисторов в схеме используются MJE340/MJE350. После многократных прослушиваний выбор пал именно на эти транзисторы как наиболее «музыкальные». Просто-напросто при работе с этими транзисторами усилитель играл более детально и эмоционально. Слушались различные композиции через усилитель с  MJE150032/ MJE150033 и выходными транзисторами 2SK1058/2SJ162, питание ±55 вольт и 6 Омная акустика Wharfedale Diamond 8.4 (www.wharfedale-audio.ru) . При прослушивании  усилитель хотелось сразу выключить, так как звук был «мёртвым», лишённым всяческих эмоций. При использовании MJE340/MJE350 усилитель не хотелось выключать совсем J. Также хорошо показали себя транзисторы BD139/BD140, однако их нельзя применять при питании усилителя выше ±35 вольт.  Вот и всё про выбор драйверных транзисторов.

            В качестве выходных транзисторов использовались MOSFETы 2SK1058/2SJ162.

Именно эти транзисторы используются в большинстве «звучащих» усилителей. Единственным существенным недостатком этих транзисторов является то, что через сток этого транзистора нельзя пропустить ток более 7 ампер, без порчи. Если ток протекаемый через транзистор будет больше 7 ампер, то транзистор просто-напросто сгорит, унеся собой в загробную жизнь 90% остальных элементов усилителя.

            Из-за этих особенностей необходимо правильно выбирать напряжение питания.

Для работы усилителя на 4-х Омную нагрузку напряжение питания должно быть не более 4 Ома * 7 Ампер = 28 вольт на одно плечо (56 вольт на два плеча, без учёта просадки напряжения при работе с нагрузкой). При работе на 8-ми Омную нагрузку напряжение питания может быть уже 8 Ом * 7 Ампер = 56 вольт (112 вольт на два плеча).  Возможно использовать питание ±55 вольт и при работе на 4-х Омную нагрузку, однако тогда необходимо включать параллельно две и более пар выходных транзисторов. Так как транзисторы имеют небольшой разброс, то при одновременной работе они будут порождать больше искажений основного сигнала, чем при работе одного 2SK1058 и одного 2SJ162  на канал. Однако при параллельном включении удастся получить большую выходную мощность на 4-х Омах. Чтобы достичь максимального качества звучания была применена только одна пара.

            При работе от источника питания ±28..29  вольт на 4-х Омную нагрузку выходная мощность составит примерно 25 Ватт (RMS) при коэффициенте гармонических искажений 0,02%. При работе от источника питания ±53..55  вольт на 8-ми Омную нагрузку выходная мощность составит примерно 85 Ватт при коэффициенте гармонических искажений 0,02%.

            Печатная плата разработана для монтажа в неё только по одной паре транзисторов 2SK1058/2SJ162 на канал. При замене на другие транзисторы необходимо помнить, что расположение выводов у 2SK1058/2SJ162 нестандартное! Более подробную информацию можно найти в даташите на транзисторах.

Схема усилителя может питаться напряжением от ±20 до ±58 вольт. Ограничение в 58 вольт можно избежать, применив другие конденсаторы С9-С20 например номиналом 2200 микрофарад 100 вольт. Печатная плата позволяет устанавливать, без доработки,  в неё конденсаторы фирмы TREC серии SR:

 

 

            Можно применить конденсаторы других фирм, если TREC не проходит по идеологическим соображениям, однако стоимость за один микрофарад будет значительно выше, при незначительном улучшении характеристик.

            В усилителе Schrulle A1 применены двенадцать конденсаторов напряжением 63 вольта и ёмкостью 4700 микрофарад каждый. Мощность трансформаторов использованных в усилителе составляет порядка 500 В*А. Такая мощность была выбрана из расчёта что КПД усилителя будет примерно 35% и в нагрузку будет уходить 85+85 Ватт. Формула для расчёта мощности трансформатора:

 

            Схема усилителя не содержит ни одного предохранителя, нет также и схемы защиты на основе реле. Это решение было принято для уменьшения выходного сопротивления и как следствие увеличение демпинг фактора (а ещё изрядного количества лени J), поэтому схема боится короткого замыкания. Необходимо внимательно подключать провода к акустике, не допускать короткого замыкания.

            Для тех кому необходимо чтобы усилитель работал и на постоянном токе, достаточно не впаивать проходные конденсаторы С6 и С7, а на их место установить перемычки. Однако делать этого настоятельно не рекомендую, так как большинство источников звука имеют постоянную составляющую на выходе, которая может вывести из строя акустику (так как при впаянной перемычке вместо конденсаторов усилитель многократно усилит постоянную составляющую и передаст её на акустику, а она в свою очередь очень не любит этого ;-) .

Для улучшения качества звучания усилителя была использована обратная связь без использования конденсаторов в цепи, чтобы коэффициент ООС (отрицательной обратной связи) по переменному и постоянному напряжению был величиной постоянной и не зависел от частоты.

Сборка и настройка усилителя

 

            Сборку лучше всего начать с распайки чип компонентов. Затем припаять все пассивные выводные компоненты (резисторы за исключением R43, R53 и конденсаторы за исключением С9-С20). Затем запаять две микросхемы TL431. Промыть спиртом. Подать напряжение питания. Проверить наличие ± 14,5….15,5 вольт для питания операционных усилителей. Если всё нормально, продолжить сборку.

            Вместо подстроечных резисторов R43, R53 используются делители из постоянных резисторов R56, R58 и R57,R55. Это увеличивает надёжность схемы, простоту сборки, однако не даёт точно подстроить напряжение питания операционных усилителей.

Прикрутить к предвыходным транзисторам маленькие радиаторы FK301 (пока ещё транзисторы не впаяны в плату). Проверить без пайки корректность установки теплоотвода и если всё нормально размещается и нигде ничего не замыкает – запаять транзисторы с установленными радиаторами уже в саму плату.

В качестве предвыходных транзисторов могут быть применены следующие транзисторы :

                                                                                                         

 

Далее необходимо просверлить отверстия в теплоотводе для выходных транзисторов, микросхемы LM4702 и двух транзисторов BD139.

            Затем заполировать места, где будут размещены транзисторы и микросхема.

Выходные транзисторы и микросхема должны быть изолированы от корпуса прокладкой НОМАКОН. Не лишним было бы нанести теплопроводную пасту КПТ-8 на обе стороны прокладки. Прикрутить транзисторы, вставить ножки транзисторов в печатную плату. Далее совместить отверстие под микросхемой. Закрепить микросхему к радиатору через специальную термостойкую изолирующую втулку с помощью винта и гайки М3.

            Площадь радиатора зависит от многих параметров: наличия или отсутствия принудительного обдува, тока покоя и напряжения питания усилителя в целом. В своей конструкции я применил один радиатор HS110 длинной 250 мм и два 120мм вентилятора. Вентиляторы при выходной мощности до 10-15 ватт вообще не включались. Напряжение питания усилителя ±55 вольт, ток покоя 350-400 мА (весь усилитель).

 

            Настройка усилителя заключается в установке желаемого тока покоя выходных транзисторов. Увеличивая ток покоя, мы плавно переводим усилитель из класса AB в A. Как определить ток, при котором выходные транзисторы работают в классе А? За этой методикой лучше обратится в более достоверные источники, нежели форумы. Скажу по своему опыту, что для оптимального баланса между качеством звучания и током покоя необходимо выставить примерно по 200 мА на каждый канал, то есть 400 мА на два канала + собственный ток потребления микросхем и др. узлов схемы.

Ток потребления при закороченных транзисторах VT1, VT6 = 70-75 mА напряжение питания ±55 вольт (транзисторы MJE340 MJE350 + по одному пятиваттному керамическому резистору (SQP-5  1 кОм) в цепи питания операционников).

Ток потребления при закороченных транзисторах VT1, VT6 = 60-65 mА напряжение питания ±30 вольт  (транзисторы BD139 BD140 + 5 параллельно включенных резисторов 2,4 кОм в цепи питания операционников). Здесь имеется ввиду, что сами транзисторы VT1, VT6 установлены на плате, но переход коллектор – эмиттер закорочен перемычкой (на время настройки). Закорачивая эти транзисторы, мы снижаем ток покоя выходных транзисторов практически до нуля.

Сначала необходимо измерить ток потребления схемы при закороченных выходных транзисторах. Затем если всё нормально выставить ток покоя одного канала. Запять перемычку на транзисторе того канала, который настроили. Снять перемычку на другом канале, который хотим настроить. Настроить ток покоя. Затем снять все перемычки и измерить общий ток потребления.

При большом токе покоя силовой радиатор достаточно быстро разогревается….. но при определённой температуре схема автоматически начинает снижать ток покоя выходных транзисторов, чтобы предотвратить тепловой пробой. Так что думайте, что вы делаете!

Вот и всё! Усилитель настроен. Осталось убедиться, что постоянное выходное напряжение на выходе усилителя не превышает ±20 милливольт. Если это так, то можно подключать к акустике и наслаждаться звуком.

 

 

ВАЖНО!

Если питание при настройке буде производиться от двух лабораторных источников, очень важно сначала подать «отрицательное» напряжение, а затем «положительное»!

Так как на печатной плате по умолчанию есть дорожка, через которую усилитель переводится из режима MUTE в режим STANDBY, то при подаче положительного напряжения питания усилитель сразу же включается.

Если же подать сначала положительное напряжение, а затем отрицательное, то выходит из строя микросхема LM4702 (проверено не на одном экземпляре!).

Если же питание будет осуществляться от одного выпрямителя (источника постоянного напряжения) то можно не бояться что выйдут из строя при включении какие либо компоненты усилителя.

 

В дополнении к усилителю имеется плата управления усилителем и системой охлаждения. На этой плате установлено реле которое включает/выключает силовой трансформатор предназначенный для питания усилителя, полевой транзистор, который управляет скоростью вентилятора системы охлаждения. Также на плате имеется оптрон, который управляет режимами MUTE и STANDBY. Оптрон подключается в разрыв дорожки изображенной на рисунке. К MUTE- подключается эмиттер транзистора оптрона, к MUTE+ подключается коллектор.

Также к этой плате проводами подключается цифровые термодатчики DS18B20 (корпус TO92) и кнопка включения/выключения усилителя. Один вывод кнопки подключается к выводу микропроцессора PORTB3 а второй на землю. Чтобы исключить дребезг контактов необходимо параллельно кнопке припаять керамический конденсатор ёмкостью 0,1 – 1 мкФ.

Если к плате не подключен термодатчик, то вентилятор не будет включаться ни при каких условиях, так как процессор не знает, какая температура у радиатора, к которому прикручены выходные транзисторы и микросхема. Размещать термодатчики необходимо на самых горячих участках радиатора.

Термодатчики соединяются параллельно. Если термодатчиков будет подключено от одного до восьми, то микропроцессор опросит все термодатчики, выберет наибольшую температуру, и в соответствии с ней будет управлять скоростью вентилятора. По умолчанию температура включения и поддержания минимальных оборотов вентилятора составляет 45 градусов Цельсия, температура переключения в режим максимальных оборотов вентилятора составляет 70 градусов.

Из разных производителей вентиляторов очень хорошо зарекомендовали себя вентиляторы фирмы GLACIALTECH, они оказались самыми тихими, недорогими и достаточно эффективными. No Name  вентиляторы издавали тонкий писк в районе 1-3 кГц даже на минимальных оборотах (для управления вентилятором используется ШИМ, это позволяет плавно управлять скоростью вращения вентиляторов, однако низкокачественные вентиляторы издают звук если ими управляет ШИМ).

 

 

Имеются в наличии печатные платы для этого усилителя.

 

По любым вопросам пишите мне на электронную почту. Почту читаю регулярно, обычно это 1 раз в день. Постараюсь ответить на все интересующие вопросы.

 

Схема усилителя здесь

Часть мостовой схемы включения здесь (нумерация деталей не совпадает с основной схемой)

Расположение компонентов на печатной плате здесь и здесь

Схема, печатная плата для терморегулятора здесь (P-CAD2006)

Проект, исходный текст, прошивка для CodeVisionAVR1.24.7 здесь